Diese Arbeit behandelt numerisch die Fluiddynamik in Flüssigmetallbatterien. Insbesonders die Tayler-Instabilität und Elektrowirbelströmungen werden ausführlich betrachtet. Die Motivation der Untersuchungen besteht zum einen in einer Steigerung von Leistung und Sicherheit und zum anderen in der Senkung von Produktions- und Betriebskosten von Flüssigmetallbatterien. Es wird ein Lösungsverfahren für zeitabhängige magnetohydrodynamische Strömungen entwickelt und in OpenFOAM implementiert. Die Basisversion des Lösers erlaubt die Analyse einer flüssige Elektrode. Eine Erweiterung dient der Untersuchung des Einflusses von Stromsammler und Zuleitung der Batterie. Simulationen werden vorwiegend für zylindrische, aber auch für quaderförmige Elektrodengeometrien durchgeführt. Der Hauptteil der Arbeit widmet sich der stromgetriebenen Tayler-Instabilität, die in großen Batterien bei Strömen von einigen Kiloampere auftritt und dort zu einer Strömung in Form von Konvektionszellen führt. Das Auftreten, Wachstum und die Geschwindigkeiten dieser Instabilität werden analysiert und deren Bedeutung für die Batterie diskutiert. Zur Dämpfung bzw. Unterdrückung der Strömung werden eine Reihe von Gegenmaßnahmen vorgestellt und deren praktischer Nutzen bewertet. Der zweite, kürzere Teil der Arbeit befasst sich mit Elektrowirbelströmungen, deren Charakterisierung und ihren Wechselwirkungen mit der Tayler-Instabilität. Die besondere Bedeutung von Elektrowirbelströmungen für die Integrität der Elektrolytschicht sowie ihre Anwendbarkeit für die Verbesserung des Stofftransports in Flüssigmetallbatterien werden vervorgehoben.

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Ce travail se penche sur l'étude expérimentale et la simulation numérique du GLCC, un séparateur gaz-liquide cyclonique destiné à de l'industrie pétrolière.Les expériences sont menées sur un pilote air-eau. Dans un premier temps, des observations visuelles ont permis de caractériser le fonctionnement du système en fonction des débits d'entrée. L'influence de la géométrie du système ainsi que des propriétés des fluides sont également considérées.Dans un second temps, l'hydrodynamique de l'écoulement tourbillonnaire dans le séparateur est étudiée par vélocimétrie laser Doppler.Cette étude expérimentale, en mettant l'accent sur le rôle important du fillament tourbillonnaire, a permis d'expliquer pour la première fois divers aspects des écoulements tourbillonnaires turbulents. L'analyse des résultats met également en évidence les nombreuses limites du modèle théorique utilisé pour dimensionner les GLCCs.Côté numérique, les écoulements tourbillonnaires en conduite sont étudiés par une approche CFD utilisant le code commercial Fluent 6.3. Les résultats montrent que la CFD peut reproduire correctement les écoulements tourbillonnaires monophasiques. Cependant, en diphasique, les techniques de simulation actuelles ne conviennent pas pour simuler ce type d'écoulement. / This work focuses on the experimental study and numerical simulation of the GLCC, a gas-liquid cyclone separator developed for the oil industry.The experiments are conducted on an air-water pilot. In a first step, visual observations were used to characterize the system operation according to the incoming flow rates. The influence of system's geometry and the fluid's properties are also considered.In a second step, the hydrodynamics of the vortex flow in the separator is studied by laser Doppler velocimetry.This experimental study, focusing on the important role of the vortex filament, allowed to explain for the first time various aspects of turbulent swirling flows. The analysis of the results also highlights the many limitations of the theoretical model used to design the GLCC.On the numerical side, the swirling flows in pipes are studied via the CFD commercial code Fluent 6.3. The results show that CFD can correctly reproduce the single-phase vortex flow.However, for multiphase flow simulations, it is shown that the current simulation techniques are not suitable to simulate this type of flow.

Diese Arbeit behandelt numerisch die Fluiddynamik in Flüssigmetallbatterien. Insbesonders die Tayler-Instabilität und Elektrowirbelströmungen werden ausführlich betrachtet. Die Motivation der Untersuchungen besteht zum einen in einer Steigerung von Leistung und Sicherheit und zum anderen in der Senkung von Produktions- und Betriebskosten von Flüssigmetallbatterien. Es wird ein Lösungsverfahren für zeitabhängige magnetohydrodynamische Strömungen entwickelt und in OpenFOAM implementiert. Die Basisversion des Lösers erlaubt die Analyse einer flüssige Elektrode. Eine Erweiterung dient der Untersuchung des Einflusses von Stromsammler und Zuleitung der Batterie. Simulationen werden vorwiegend für zylindrische, aber auch für quaderförmige Elektrodengeometrien durchgeführt. Der Hauptteil der Arbeit widmet sich der stromgetriebenen Tayler-Instabilität, die in großen Batterien bei Strömen von einigen Kiloampere auftritt und dort zu einer Strömung in Form von Konvektionszellen führt. Das Auftreten, Wachstum und die Geschwindigkeiten dieser Instabilität werden analysiert und deren Bedeutung für die Batterie diskutiert. Zur Dämpfung bzw. Unterdrückung der Strömung werden eine Reihe von Gegenmaßnahmen vorgestellt und deren praktischer Nutzen bewertet. Der zweite, kürzere Teil der Arbeit befasst sich mit Elektrowirbelströmungen, deren Charakterisierung und ihren Wechselwirkungen mit der Tayler-Instabilität. Die besondere Bedeutung von Elektrowirbelströmungen für die Integrität der Elektrolytschicht sowie ihre Anwendbarkeit für die Verbesserung des Stofftransports in Flüssigmetallbatterien werden vervorgehoben.

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The root industrial processing in the country, aiming to obtain mainly flour and starch, generates carbohydrate-rich residues (e.g., starch, cellulose, and hemicellulose), which could be used to produce value-added products by enzymatic route, mainly using immobilized enzymes that are more operationally stable, allowing to be easily recovered and reused in the process. Thus, this work aimed the biotransformation of residual starch from cassava processing in maltose, using immobilized β-amylase in a Couette–Taylor–Poiseuille vortex flow reactor, which can promote perfect mixture under lower shear stress in the reactional medium compared to the conventional stirred-tank reactor. Cassava bagasse and peel of two starch-processing industries from São Paulo State were physicalchemically characterized and showed about 47% and 55% (dry mass) of residual starch, respectively. The starch was enzymatically extracted from the residues using a α- amylase, followed by maltose production catalyzed by immobilized barley β-amylase. Among the immobilization methods studied in this work, the best one for β-amylase was protein aggregation using bovine serum albumin (BSA) or soybean protein (PS) as protein feeder, followed by cross-linking with glutaraldehyde (CLEA technique). This protocol yielded immobilized β-amylase with 82.67% and 53.26% of recovered activity, respectively. Besides, the CLEAs were highly stables at 40oC, retaining more than 80% of the initial activity after 12 hours. The maltose syrup production from starch was performed using a Couette–Taylor–Poiseuille vortex flow reactor, in order to evaluate the β-amylase CLEAs (in this case CLEA of β-amylase prepared with soybean protein, here named CLEA-β-PS). It was achieved around 70% of maltose conversion in a short reaction time (4 hours), showing that is viable the use of residual starch as raw material for the production of maltose catalyzed by β-amylase CLEA in a Couette–Taylor– Poiseuille vortex flow reactor. / A mandioca é cultivada em todo mundo, sendo o Brasil o quarto maior produtor. O processamento industrial da raiz no país visa principalmente à produção de farinha e fécula, gerando resíduos ricos em carboidratos (amido, celulose, hemicelulose) que poderiam gerar produtos de valor agregado por biocatálise enzimática, particularmente usando enzimas imobilizadas, por serem mais estáveis operacionalmente e poderem ser facilmente recuperadas e reutilizadas no processo. Assim, este trabalho teve como objetivo a biotransformação do amido residual dos resíduos do processamento da mandioca em maltose, usando a enzima β-amilase imobilizada em reator de fluxo em vórtices (RFV) Couette–Taylor–Poiseuille, reator este que pode promover mistura perfeita com menor tensão cisalhante no meio reacional, comparado a um reator de mistura perfeita convencional. Os resíduos bagaço e casca de mandioca de duas fecularias do interior de São Paulo foram caracterizados físico-quimicamente e apresentaram teores de amido por volta de 47% e 55% (b.s.), respectivamente. A extração do amido dos resíduos foi realizada enzimaticamente utilizando uma α-amilase, então, o amido liquefeito foi utilizado na produção de maltose catalisada pela β-amilase de cevada imobilizada. Dentre os métodos de imobilização estudados, o mais satisfatório para a imobilização de β-amilase foi a reticulação de enzimas agregadas (CLEA), utilizando albumina de soro bovino (BSA) ou proteína de soja (PS) como proteínas inertes, retendo 82,67% e 53,26% da atividade oferecida, respectivamente. Os CLEAs apresentaram estabilidades ao pH ligeiramente maiores que a β-amilase livre em seus respectivos valores de pH mais estáveis. Além disso, os CLEAs foram muito estáveis a 40ºC, retendo mais de 80% da atividade inicial após 12 horas de encubação. A conversão do amido em maltose foi realizada em um RFV, com a finalidade de estudar seu comportamento frente aos CLEAs de β-amilase (neste estudo CLEA de β-amilase preparado na presença de proteína de soja, aqui nomeado CLEA-β-PS). A conversão de amido em maltose foi de aproximadamente 70% em curto tempo de reação (4 horas), demonstrando a viabilidade do uso de amido residual como matéria-prima para a produção de maltose catalisada por CLEA de β-amilase em reator de fluxo em vórtices de Couette–Taylor–Poiseuille. Palavras chave: resíduos de mandioca, amido, maltose, beta-amilase de cevada, imobilização enzimática, CLEA, reator de fluxo em vórtices.